Научные результаты полета автоматической ионосферной лаборатории "Янтарь-4" Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦА Г И Том V 197 4

№ 2

УДК 629.783.014:(47) 525

НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЕТА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ИОНОСФЕРНОЙ ЛАБОРАТОРИИ „ЯНТАРЬ-4“

Г. Н. Антипов, В. К. Брейтвейт, Э. Д. Бюро, Г. Л. Гродзовский, Ю. И. Данилов, В. М. Захаров, Н. П. Колотаев, Н. Ф. Кравцев, М. Я• Маров, Г. М. Мартынкевич, В. Е. Никитин, А. N. Петуния, В. П. Суворов, В. В. Уткин

Приведены результаты испытаний воздушного плазменно-ионного двигателя, полученные в полете лаборатории „Янтарь-4“, а также измеренные в полете параметры взаимодействия аппарата со струей и ионосферной плазмой.

В период 1966—71 гг. для исследования перспектив управляемого полета в верхних слоях атмосферы проводились запуски автоматических ионосферных лабораторий .Янтарь", которые осуществлялись с помощью геофизических ракет на высоты 100—400 км. В четырех проведенных запусках лабораторий .Янтарь" выла исследована работа газовых плазменно-ионны'х двигателей в натурных условиях полета в ионосфере и измерялись параметры нейтральной атмосферы и параметры, характеризующие взаимодействие летательного аппарата с ионной реактивной струей двигателя и с ионосферной плазмой. В настоящей статье приведены научные результаты летного эксперимента, проведенного на лаборатории .Янтарь-4“.

Принципы использования верхних слоев атмосферы для управляемого полета орбитальных аппаратов, научные задачи запусков автома*ических ионосферных лабораторий .Янтарь”, описание автоматической лаборатории „Янтарь* и основных ее элементов и результаты полетов лабораторий ,Янтарь-1“, ,Янтарь-2“ и „Янтарь-3‘ изложены в [1—3]. Отметим только основные особенности этих полетов.

Автоматическая ионосферная лаборатория „Янтарь-1“ была запущена с плазменно-ионным двигателем, использующим аргон в качестве рабочего вещества. Было проведено И циклов включения и работы двигателя с ускоряющим напряжением 300 В, что соответствует скорости истечения ионной реактивной струи около 40 км/с. Установленный на лаборатории термоэмиссионный нейтрализатор обеспечивал нейтрализацию ионной реактивной струи при разности потенциалов между корпусом лаборатории и границей ионосферной плазмы на уровне 50— 70 В, что составляет около 20% от величины ускоряющего напряжения.

Лаборатория „Янтарь-2“ была запущена с плазменно-ионным двигателем на азоте и с экономичным плазменным нейтрализатором, описание которого приведено в [2]. Двигатель работал устойчиво с ускоряющим напряжением 2100— 2200 В, что соответствует скорости ионной реактивной струи около 120 км/с. Плазменный нейтрализатор обеспечил эффективную нейтрализацию ионной ре активной струи; величина потенциала корпуса лаборатории не превышала 10 В,

следовательно, на процесс нейтрализации в этом случае расходовалось менее

0,5% энергии реактивной струи.

В полете лаборатории „Янтарь-3“ были проведены испытания плазменноионного двигателя на воздухе с ускоряющим напряжением 2800 В (скорость реактивной ионной струи равна 140 км/с), потенциал корпуса лаборатории не превышал 8 В, что составляет менее 0,3% величины ускоряющего напряжения.

В настоящей статье рассмотрены результаты полета автоматической ионосферной лаборатории „Янтарь-4“. Общий вид, схема лаборатории и основные ее элементы приведены в работах [2] и [3]. На лаборатории „Янтарь-4“ была установлена дополнительная аппаратура для измерения параметров, характеризующих взаимодействие летательного аппарата с ионно-электронной реактивной струей двигателя и с ионосферной плазмой, а также радиочастотный масс-спектрометр и аппаратура для определения концентрации атомарного кислорода.

Измерение параметров верхней атмосферы. Краткий обзор результатов экспериментальных и теоретических исследований параметров верхней атмосферы в диапазоне высот 100—400 км, где проводились летные испытания плазменноионных двигателей, дан в работе [3]. С целью определения параметров атмосферы и контроля условий работы плазменно-ионного двигателя во время полета на лаборатории „Янтарь-4‘ был установлен комплекс измерительной аппаратуры, состоящий из четырех ионизационных манометров ИМ-8Л, радиочастотного масс-спектрометра типа МХ-6407П и аппаратуры для определения концентрации атомарного кислорода.

Фиг. 1

Два ионизационных манометра находились в зоне установки плазменноионного двигателя, остальная аппаратура располагалась в приборном отсеке носовой части лаборатории (фиг. 1, где /—анализаторы масс-спектрометра, 2— датчики атомарного кислорода, 3—ионизационные манометры). При прохождении плотных слоев атмосферы приборный отсек был защищен коническим обтекателем, который сбрасывался по команде программного механизма на высоте около-100 км.

Измерения внешнего давления производились с помощью манометров ИМ-8Л.

Схема включения манометров в телеметрическую систему, блок-схема измерительной аппаратуры и структурно функциональная схема усилителя приведены в работах [2] и [3]. Величины давлений, измеренные в полете лаборатории „Янтарь-4‘, близки к значениям, полученным ранее в работе [3], при этом величины давлений в зоне установки плазменно-ионного двигателя и в носовой части отличаются не более, чем в два-три раза.

С помощью радиочастотного масс-спектрометра определялся состав окру’ жающей среды вдоль траектории полета лаборатории [4]. Полученные результаты качественно согласуются с имеющимися моделями стандартной атмосферы. Представляют интерес измеренные величины концентрации атомарного водорода, эти результаты будут опубликованы дополнительно.

Аппаратура для измерения концентрации атомарного кислорода позволила получить необходимую информацию о величине и характере изменения концентрации атомарного кислорода в интервале высот 100-5-380 км.

Измерение параметров взаимодействия аппарата со струей и ионосферной плазмой. В полете лаборатории . Янтарь-4“ производились измерения потенциала корпуса лаборатории <р, плотности ионных токов, приходящих из ионосферы на боковую и донную поверхности лаборатории, параметров ионной струи: температуры электронов Те, потенциала ир, а также зависимости этих величин от условий нейтрализации ионной струи.

Измерение потенциала корпуса лаборатории производилось по величине энергии ионов [5], приходящих из ионосферы на коллектор управляемой ионной ловушки, на сетку которой подавалось пилообразное напряжение. Были установлены три ионные ловушки с различными диапазонами измерений: 0—20 В, 0—100 В, 0—500 В. Одновременно ионные ловушки позволяли измерять величины ионных токов из окружающей среды.

Для измерения электронной температуры и потенциала ионно-электронной струи был установлен холодный зонд Ленгмюра. Зондовые методы широко используются для исследования плазмы в лабораторных условиях [6] и находят применение в космических исследованиях [5, 7]. Плоский зонд был ориентирован своей рабочей поверхностью в сторону двигателя и установлен на расстоянии 10 см от него по центру ионной струи. На зонд с потенциометра подавалось пилообразное напряжение в диапазоне от —10 В до —110 В с частотой следования импульсов, равной 0,3 Гц. Температура электронов Те и потенциал струи относительно корпуса лаборатории ир определялись по электронной ветви зон-довой характеристики, концентрация ионов щ—по величине ионного тока насыщения на зонд с учетом вторичной электронной эмиссии для материала зонда.

Величина коэффициента ионно-электронной эмиссии ■( для медного зонда в заданном диапазоне энергий была измерена в ла-_ _ бораторных условиях и согласуется с из-

£.о\———НМ '-Г ■ Т’п—————вестными данными.

Полученные в полете зондовые характеристики имели хорошо выраженный прямолинейный участок (в полулогарифмическом масштабе), что позволило надежно оп-

20

02

0.1

0.08

м А и 5вВ: Т/г 6 э.В •

п; 5-109см~3

А { Л

1 * ’

( 7

Г / /

г

/ /

Г

у

г

У

/

т

!

/

/

1

ределять величины Те и ир (фиг. 2). Величина концентрации ионов щ составляла примерно 2,5-109 см-3.

Из лаборатории „Янтарь-4“ были установлены на различных расстояниях /? от оси струи три плазменных нейтрализа-

Таблица 1

50 60 70 во 90 100 ПО

Фиг. 2

а, мм 45 240 280

<Рз В 8 34 41

ир, в 14,5 24 32

Те, эВ 1,4 6,0 7,1

У, мкА/см2 1 О со 4-10-2 сч 1 О

Л, см 3 2,8 8,0 9,7

тора, описание которых приведено в работе [2]. В табл. 1 указаны значения потенциала аппарата ер, электронной температуры Те, потенциала струи относительно ионосферной плазмы и'р, определяемого разностью величин ир — Измеренные значения плотности ионного тока У на коллекторы ионных ловушек и потенциала <р дают возможность оценить толщину слоя пространственного заряда й для случая цилиндрической симметрии [1].

В условиях натурного полета с удалением нейтрализатора от оси ионной струи и соответствующим ростом потенциала у увеличиваются потенциал струи 17р и электронная температура Те. В лабораторных условиях наблюдаются аналогичные закономерности, при этом и количественно величины соответствующих параметров согласуются удовлетворительно. Величины Те и ир при различных <р, полученные в полете и в вакуумной камере, показаны на фиг. 3.

10 30 50 у, Л ю 30 50 У, В

Фиг. 3

Работа плазменно-ионного двигателя в полете. Полет автоматической ионосферной лаборатории „Янтарь-4“ происходил по баллистической траектории с максимальной высотой 382 км. По программе полета на восходящей ветви траектории производилось включение плазменно-ионного двигателя, использовавшего воздух в качестве рабочего вещества, для предварительного прогрева и обезгаживания. Затем двигатель был выведен на номинальный режим работы с ускоряющим напряжением, равным 2800 В, что соответствует скорости истечения реактивной струи, равной 140 км/с, устойчиво работал до входа лаборатории в более плотные слои атмосферы, где был автоматически выключен.

Токи утечки на ускоряющий электрод и корпус лаборатории составляют, как и в полетах лабораторий „Янтарь-2“ и „Янтарь-3“, менее 4%, основная часть ионного тока (более 96%) компенсируется электронами с нейтрализатором. Величины потенциалов корпуса лаборатории, измеренные с помощью ионных ловушек, при работе термоэмиссионного нейтрализатора не превышали 150 В (около 5,5Н от величины ускоряющего напряжения), при работе плазменного нейтрализатора, установленного вблизи границы струи, не превышали 10 В (около 0,4% от величины ускоряющего напряжения).

Величина потенциала ионной струи относительно ионосферной плазмы (табл. 1) также невелика, что подтверждает эффективность компенсации положительного пространственного заряда ионов в струе электронами. Сравнение соответствующих потенциалов корпуса лаборатории и струи с результатами экспериментов в вакуумной камере показывает, что расширение струи под действием пространственного заряда незначительно и условный полуугол ее расхождения, измеренный с помощью распределений плотности ионного тока в двух сечениях, не превышает 10°.

Приведенные в табл. 2 основные результаты полетов всех лабораторий „Янтарь* показывают, что при работе плазменно-ионных двигателей в ионосфере осуществляется эффективная нейтрализация ионной реактивной струи электронами с плазменных нейтрализаторов. При этом происходит не только токовая компенсация ионного пучка, но и компенсация положительного пространственного заряда ионов в струе.

Таблица 2

Параметр Основные результаты полетов лабораторий

„Янтарь-1* „Янтарь-2* „Янтарь-3“ ,Янтарь-4"

Рабочее вещество аргон азот воздух воздух

и, В 300 2100-2200 2800 2800

V, км/с 40 120 140 140

<Pi. в 50—70 100-200 50 -300 100-150

<р2. в — 5-г-Ю 3rf-8 6-f-10

Проведенные в натурных условиях при полете в верхней атмосфере испытания автоматической лаборатории „Янтарь" доказали, что воздушные плазменно-ионные двигатели устойчиво и надежно работают в этих условиях при скоростях истечения ионной реактивной струи до 140 км/с и эффективной нейтрализации ионной струи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гродзовский Г. Л., Дюкалов А. Н., К р а в ц е в Н. Ф., Маров М. Я., Никитин В. Е., ПетунинА. Н., Симонов Л. А., Уткин В. В. Научные результаты полета автоматической ионосферной лаборатории „Янтарь-1“. „Космические исследования", т. VI, вып. 6, 1968.

2. |А р ц и м о в и ч Л. А. |, Гродзовский Г. Л., Данилов Ю. И., 3 а х а р о в В. М., К р а в ц е в Н. Ф., Кузьмин Р. Н., Маров М. Я., Морозов П. М., Никитин В. Е., П е т у н и н А. Н„

У т к и н В. В., Ч у л е в В. М., Швидковский Е. Г. Научные результаты полета автоматических ионосферных лабораторий „Янтарь". „Ученые записки ЦАГИ", т. 11, № 3, 1970.

3. Б а л а е в И. Ф., Гродзовский Г. Л., Данилов Ю. И., Захаров В. М., Кравцев Н. Ф., Кузьмин Р. Н., Маров М. Я., Морозов П. М., Никитин В. Е., Перов С. П., Петунин А. Н.,

У т к и н В. В., Ч у л е в В. М., Швидковский Е. Г. Научные результаты полетов автоматических ионосферных лабораторий „Янтарь". „Ученые записки ЦАГИ", т. III, № 2, 1971.

4. П а в л е н к о В. А., Зар хин Б. И., Рафальсон А. Э., Слуцкий М. Е. Высокочувствительный радиочастотный масс-спектрометр для исследования ионного и нейтрального состава верхней атмосферы, „Космические исследования", т. IV, вып. 3, 1966.

5. Ионов Н. И. Исследования газоразрядной и космической плазмы с помощью многоэлектродных зондов. Журн. технич. физ., вып. 5, 1964.

6. Каган Ю. М., Перель В. И. Зондовые методы исследования плазмы. „Успехи физических наук", т. LX^TXI, вып. 3, 1963.

7. Jones S. G., Staskus J. V., Byers D. Q. Preliminary results of SERT II spacecraft potential measurements cesing hot wire emissive probes. AIAA Paper, No 1127, 1970.

Рукопись поступила 15\IV 1973 г.